刀锉铣床液压系统的设计【含7张CAD图纸】
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刀锉铣床液压系统的设计 第一章绪论 第二章 工况分析与方案选择 2 1 技术要求 2 2 工况分析 2 3 工作负载 第三章液压系统 3 1 拟定液压系统原理图 3 2 组成液压系统 3 3 系统液压元件 辅件设计 第四章 刀锉铣床液压系统中液压缸的设计 4 1 液压缸的设计 4 2 液压缸主要尺寸的确定 4 3 液压缸的结构设计 结论 文献 摘要 液压系统是以电机提供动力基础 使用液压泵将机械能转化 为压力 推动液压油 通过控制各种阀门改变液压油的流向 从而 推动液压缸做出不同行程 不同方向的动作 完成各种设备不同的 动作需要 液压系统已经在各个工业部门及农林牧渔等许多部门得 到愈来愈广泛的应用 而且愈先进的设备 其应用液压系统的部分 就愈多 关键词 液压传动 稳定性 液压系统 第一章绪论 1 1 铣床概述 铣床是用铣刀对工件进行铣削加工的机床 铣床除能铣削平面 沟槽 轮齿 螺纹和花键轴外 还能加工比较复杂的型面 效率较 刨床高 在机械制造和修理部门得到广泛应用 1 2 液压技术发展趋势 液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一 世界各国 对液压工业的发展都给予很大重视 液压气动技术具有独特的优点 如 液压技术具有功率重量比大 体积小 频响高 压力 流量可控 性好 可柔性传送动力 易实现直线运动等优点 气动传动具有节 能 无污染 低成本 安全可靠 结构简单等优点 并易与微电子 电气技术相结合 形成自动控制系统 主要发展趋势如下 1 减少 损耗 充分利用能量 2 泄漏控制 3 污染控制 4 主动维护 第二章 工况分析与方案选择 2 1 技术要求 刀锉铣床采用缸筒固定的液压缸驱动工作台 卧式布置 完成 工件铣削加工时的进给运动 工件采用机械方式夹紧 工作台由液 压与电气配合实现的自动循环要求为 快进 工进 快退 停止 工作台除了机动外 还能实现手动 刀锉铣床工作台的运动 参数和动力参数如表一所列 表一 刀锉铣床工作台的运动参数和动力参数 工况 行 程 mm 速度 m s 时间 t s 运动部 件重力 G N 铣削负 载 Fe N 启动 制 动 t s t1 快速 300 0 075 4 t2 工进 100 0 016 0 0 01 6 25 10 9000 t3 快退 400 0 075 5 33 5500 0 05 2 2 工况分析 工作台液压缸外负载计算结果见表二 表二 工作台液压缸外负载计算结果 工 况 计算公式 外负载 N 启 动 F1 Ffs 1100 加 速 F2 Ffd G g v t 1390 快 进 F3 Ffd 550 工 进 F4 Fe Ffd 9550 注 静摩擦负载 Ffs s G Fn 0 2 5500 0 1 100 N 动摩擦负载 Ffd d G Fn 0 1 5500 0 5 50 N 惯性负载 Ffd G g v t 5500 0 075 9 81 0 05 840 N v t 平均加速度 m s2 由表一和表二即可绘制出图一所示液压缸的行程特性 L t 图 速 度特性 v t 图和负载特性 F t 图 图一 液压缸的 L t 图 v t 图和 F t 图 反向启动 F5 Ffs 1100 加 速 F6 Ffd G g v t 1390 快 退 F7 Ffd 550 2 确定主要参数 编制工况图 由参考文献一 初选液压缸的设计压力 P1 3MPa 为了满足工作台进退速度相等 并减小液压泵的流量 今将液 压缸的无杆腔作为主工作腔 并在快进时差动连接 则液压缸无杆 腔的有效面积 A1 与 A2应满足 A1 2A2 即液压缸内径 D 和活塞杆直径 d 间应满足 D d 为防止工进结束时发生前冲 液压缸需保持一定回油背压 由 参考文献一 暂取背压为 0 8MPa 并取液压缸机械效率 cm 0 9 则 可计算出液压缸无杆腔的有效面积 104 28 03 9 5 2 24611 mPFAcm 液压缸内径 按 GB T2348 1980 取标准值 D 80mm 8cm 因 A1 2A2 故活塞杆直 径为 标 准 直 径 6 52 8 cmDd 则液压缸的实际有效面积为 25 25 6 84 4 0122221cmAcmdDc 差动连接快进时 液压缸有杆腔压力 P2必须大于无杆腔压力 P1 其差值估取 P P2 P1 0 5MPa 并注意到启动瞬间液压缸尚未 移动 此时 P 0 另外 取快退时的回油压力损失为 0 5MPa 根据上述假定条件经计算得到液压缸工作循环中各阶段的压力 流量和功率 并可绘出其工况图 图二 表三 液压缸工作循环中各阶段的压力 流量和功率 工作阶段 计算公式 负载 F N 回油腔 压力 P2 MPa 工作腔 压力 P1 MPa 输入流 量 q L mm 输入功 率 N W 启 动 1100 0 48 加 速 1390 0 5 1 12 快 进 恒 速 qpNAVqFpicm121 550 0 5 0 74 10 8 133 2 工进 qpNVAq PFpcm1212 9550 0 8 2 52 0 3 4 98 12 6 2 02 启 动 1100 0 49 加 速 1390 0 5 1 62 快 退 恒 速 qpNVAqFcm1121 550 0 5 1 24 10 8 232 5 图 二 液 压 缸 的 工 况 图图二 液压缸的工况图 2 3 工作负载 66100107 5103410 63261WPPF NDnvn 摩擦阻力 12 0 450 1fjjFGN fd 惯性负荷 查液压缸的机械效率 可计算出液压缸在各工作阶段的0 9cm 负载情况 如下表表 1 所示 表 1 液压缸各阶段的负载情况 1240154 80 9 86gGvFNt 工 况 负载计算公 式 液压缸负载 FN 液压缸推力 N 启 动 fjF 1100 1222 22 加 速 fdg 1390 98 1545 53 快 进 fdF 550 611 11 工 进 fdw 3960 46 4400 51 快 退 fdF 550 611 11 第三章 液压系统 3 1 拟定液压系统原理图 1 选择液压回路 调速回路与动力源 由工况图可以看到 液压系统在快速进退阶段 负载压力较低 流量较大 且持续时间较短 而系统在工进阶段 负载压力较高 流量较小 持续时间较长 同时注意到铣削加工过程中铣削里的变 化和顺铣及逆铣两种情况 为此 采用回油路调速阀节流调速回路 这样 可以保证进给运动平稳性和速度稳定 在确定主要参数时 已决定快速进给时液压缸采用差动连接 所以所需动力源的流量较 小 从简单经济学观点 此处选用单定量泵供油 油路循环方式 由于上已选用节流调速回路 系统必然为开式循环方式 换向与速度换接回路 综合考虑到铣床自动化程度要求较高 但工作台终点位置的定位 精度要求不高 工作台可机动也可手动 系统压力低流量小 工作 台换向过渡位置不应出现液压冲击等因素 选用三位四通 Y 型中 位机能的电磁滑阀作为系统的主换向阀 选用二位三通电磁换向阀 实现差动连接 通过电气行程开关控制换向阀电磁铁的通断电即可 实现自动换向和速度换接 压力控制回路 在泵出口并联一先导式溢流阀 实现系统的定压溢流 同时在溢 流阀的远程控制口连接一个二位二通的电磁换向阀 以便一个工作 循环结束后 等待装卸工件时 液压泵卸载 并便于液压泵空载下 迅速启动 3 2 组成液压系统 在主回路初步选定的基础上 只要增添一些必要的辅助回路便可 组成完整的液压系统了 如 在液压泵进口 吸油口 设置一过滤 器 出口设一压力表及压力表开关 以便观测液压泵的压力 经过 整理所组成的液压系统如图三所示 其对应的动作顺序如表四 快 进 工 进快 退 M 图三刀锉铣床工作台液压系统 1 过滤器 2 定量叶片泵 3 压力表开关 5 先导式溢流阀 6 二位二通电磁换向阀 7 单向阀 8 三位四通电磁换向阀 9 单向调速阀 10 二位三通电磁换向阀 11 液压缸 表四刀锉铣床液压系统动作顺序表 电磁铁工作状态 信 号 来 源 动 作 名 称 1YA 2YA 3YA 4YA 按下启动按钮 工作台快进 压下工进行程开关 工作台工进 压下快退行程开关 工作台快退 注 通电 断电 行程开关安装在液压缸经过 的路径上 快进回路 进油 1 2 7 8 11 回油 10 8 工进回路 进油 1 2 7 8 11 回油 10 9 8 油箱 快退回路 进油 1 2 7 9 10 回油 11 8 油箱 卸载 1 2 5 6 油箱 3 3 系统液压元件 辅件设计 1 液压泵及其驱动电机 由液压缸的工况图二或表三可以查得液压缸的最高工作压力出 现在工进阶段 p 1 2 52MPa 此时缸的输入流量较小 且进油路元 件较少 故泵至缸间的进油路压力损失估取为 p 0 5MPa 则液压泵 的最高工作压力 pp 为 Pp p 1 p 2 52 0 5 3 02 MPa 考虑压力储备 液压泵的最高压力为 Pp 3 02 1 25 3 77 MPa 液压泵的最大供油量 qp按液压缸的最大输入流量 10 8L mm 进行估算 取泄露系数 K 1 1 则 qp 1 1 10 8L min 11 88L min 按第七章表 7 108 查得 YB1 10 型单级叶片泵能满足上述估算 得出的压力和流量要求 该泵的额定压力为 6 3MPa 公称排量 V 10mL min 额定转速为 n 1450r min 现估取泵的容积效率 v 0 85 当选用转速 n 1400r min 的驱动电动机时 泵的流量为 qp Vn v 10 1400 0 85 11 90 L min 12 L min 由工况图二可知 最大功率出现在快退阶段 查表 1 13 取泵的 总效率为 p 0 75 则 压下液压泵卸载行程开关 液压泵卸载 30675 01241wqpN 选用的电动机型号 由参考文献一表 7 134 查得 Y90S 4 型封 闭式三相异步电动机满足上述要求 其转速为 1400r min 额定功率 为 1 1kW 根据所选择的液压泵规格及系统工作情况 可算出液压缸在各 阶段的实际进 出流量 运动速度和持续时间 见表五 从而为其 他液压元件的选择及系统的性能计算奠定基础 2 液压控制阀和部分液压辅助元件 根据系统工作压力与通过各液压控制阀及部分辅助元件的最大流 量 查产品样本所选择的元件型号规格如表六所列 表五 液压缸在各阶段的实际进出流量 运动速度和持续时间 流量 L min 工作阶段 无杆腔 有杆腔 速度 m s 时间 s 快 进 24150 Aqp进 250412 Aq进出 8 105643 qVp75 0813 VLt 工 进 最 高 速 度 时 98 4 进q49 250812 Aq进出 6 10598 443 qV进 25 60132 VLt 注 工进阶段只计算了调速上限时的参数 表六刀锉铣床液压系统中控制阀和部分辅助元件的型号规格 最 低 速 度 时 3 0 进q15 021 Aq进出 0 1563 42 qV进 01 32 VLt 快 退 24501 12 Aq进出 12 pq进 08 1564323 AqV进 508 133 VLt 序 号 名 称 通过流 量 L min 额定流 量 L min 额定压 力 Mpa 额定压降 Mpa 型号规格 1 过滤器 12 16 1 XU A16 80J 3 压力表开关 12 6 3 K 3B 4 压力表 测压范 围 0 10 Y 60 注 考虑到液压系统的最大压力均小于 6 3Mpa 故选用了广州机床研 究所的中低压系列液压元件 单向调速阀的最小稳定流量为 0 07L min 小于系统最低工进速度时的流量 0 15 L min 3 其他辅助元件及液压油液 1 管件 由表五可知 流经液压缸无杆腔和有杆腔油管的实际最大流量分 别为 24 L min 和 12 L min 查表取油管内油液的允许流速为 4 L min 分别算得无杆腔油管的管径 d 无 和 d 有 为 5 溢流阀 12 25 6 3 卸荷压力 0 15 Y 25B 6 二位二通电 磁阀 2 4 10 6 3 0 2 22D 10BH 7 单向阀 12 6 3 25 0 2 I 25B 8 三位四通电 磁阀 24 6 3 25 0 25 34D 25B 9 单向调速阀 12 6 3 25 0 3 调速 阀 0 2 单向 阀 QI 25B 1 0 二位三通电 磁阀 12 6 3 25 Amin 显然 由已知可得满足速度稳定要求 3 液压缸壁厚和外径的计算 由公式 PyD 2 计算 式中 液压缸壁厚 m 液压缸内径 m Py 试验压力 一般取最大工作压力的 1 25 1 5 倍 Mpa 缸筒材料的许用应力 在这用高强度铸铁 其值为 60Mpa 计算可得 2 63 取 Py 1 5p 4 5Mpa 则缸体的外径 D1 为 D1 D 2 75 3 4 液压缸工作行程的确定 已知 L 400mm 5 缸盖厚度的确定 前缸盖 7 43 02 ypDt 后缸盖 7 20 43 022 dpty 式中 t 缸盖有效厚度 m D2 缸盖止口内径 m D0 缸盖孔的直径 m 6 最小导向长度的确定 当活塞杆全部外伸时 从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面 中点的距离 H 称为最小导向长度 如果导向长度过小 将使液压缸 的初始挠度增大 影响液压缸的稳定性 因此设计时必须保证有一 定的最小导向长度 按下式 式中 L 液压缸的最大行程 D 液压缸的内径 520 DLH 图四 液压缸的导向长度 活塞的宽度 B 一般取 0 6 1 0 D 缸盖滑动支承面的长度 1l 根据液压缸内径 D 而定 当 D80mm 时 取 0 6 1 0 d 为保证最小导向长度 H 若过分增大 和 B 都是不适合的 必要时1l 可在缸盖与活塞之间增加一隔套 K 来增加 H 的值 隔套的长度 C 由需 要的最小导向长度 H 决定 即 取 0 8D 56mm B 0 6D 42mm 则 C 71l 7 缸体长度的确定 液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和 缸 体外形长度还要考虑到两端盖的厚度 一般液压缸缸体长度不应大 于内径的 20 30 倍 而缸体长度为 L2 D t 70 7 7 77 7 显然 满足所需条件 8 活塞杆稳定性的验算 活塞杆长度根据液压缸最大行程 L 而定 对于工作行程中受压 的活塞杆 当活塞杆长度 L 与其直径 d 之比大于 15 时 应对活塞杆 进行稳定性验算 而 L d 400 56 7 14 15 活塞杆稳定性好 21lc 4 3 液压缸的结构设计 1 缸体与缸盖的连接形式 一般来说 缸筒和缸盖的结构形式和其使用的材料有关 工作 压力 p 10MPa 时 使用铸铁 p 20MPa 时 使用无缝钢管 p 20MPa 时 使用铸钢或锻钢 如图所示为缸筒和缸盖的常见结构形式 图五 a 所示为法兰连 接式 结构简单 容易加工 也容易装拆 但外形尺寸和重量都较 大 常用于铸铁制的缸筒上 图五 b 所示为半环连接式 它的缸筒 壁部因开了环形槽而削弱了强度 为此有时要加厚缸壁 它容易加 工和装拆 重量较轻 常用于无缝钢管或锻钢制的缸筒上 图五 c 所示为螺纹连接式 它的缸筒端部结构复杂 外径加工时要求保证 内外径同心 装拆要使用专用工具 它的外形尺寸和重量都较小 常用于无缝钢管或铸钢制的缸筒上 图五 d 所示为拉杆连接式 结 构的通用性大 容易加工和装拆 但外形尺寸较大 且较重 图五 e 所示为焊接连接式 结构简单 尺寸小 但缸底处内径不易加工 且可能引起变形 图五 缸筒和缸盖结构 a 法兰连接式 b 半环连接式 c 螺纹连接式 d 拉杆连接式 e 焊接 连接式 1 缸盖 2 缸筒 3 压板 4 半环 5 防松螺帽 6 拉杆 在此使用铸铁 选用法兰连接 2 活塞杆与活塞的连接结构 可以把短行程的液压缸的活塞杆与活塞做成一体 这是最简单 的形式 但当行程较长时 这种整体式活塞组件的加工较费事 所 以常把活塞与活塞杆分开制造 然后再连接成一体 图六所示为几 种常见的活塞与活塞杆的连接形式 图六 a 所示为活塞与活塞杆之间采用螺母连接 它适用负载较 小 受力无冲击的液压缸中 螺纹连接虽然结构简单 安装方便可 靠 但在活塞杆上车螺纹将削弱其强度 图六 b 和 c 所示为卡环 式连接方式 图六 b 中活塞杆 5 上开有一个环形槽 槽内装有两个 半圆环 3 以夹紧活塞 4 半环 3 由轴套 2 套住 而轴套 2 的轴向位 置用弹簧卡圈 1 来固定 图六 c 中的活塞杆 使用了两个半圆环 4 它们分别由两个密封圈座 2 套住 半圆形的活塞 3 安放在密封圈 座的中间 图六 d 所示是一种径向销式连接结构 用锥销 1 把活塞 2 固连在活塞杆 3 上 这种连接方式特别适用于双出杆式活塞 图六 常见的活塞组件结构形式 3 活塞杆导向部分的结构 选用导向套导向 因导向套磨损后便于更换 应用普遍 4 活塞及活塞杆处密封圈的选用 图七 密封装置 a 间隙密封 b 摩擦环密封 c O 形圈密封 d V 形圈密封 图七 a 所示为间隙密封 它依靠运动间的微小间隙来防止泄漏 为 了提高这种装置的密封能力 常在活塞的表面上制出几条细小的环 形槽 以增大油液通过间隙时的阻力 它的结构简单 摩擦阻力小 可耐高温 但泄漏大 加工要求高 磨损后无法恢复原有能力 只 有在尺寸较小 压力较低 相对运动速度较高的缸筒和活塞间使用 图七 b 所示为摩擦环密封 它依靠套在活塞上的摩擦环 尼龙或其 他高分子材料制成 在 O 形密封圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏 这种材料效果较好 摩擦阻力较小且稳定 可耐高温 磨损后有自 动补偿能力 但加工要求高 装拆较不便 适用于缸筒和活塞之间 的密封 图七 c 图七 d 所示为密封圈 O 形圈 V 形圈等 密封 它利用橡胶或塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静 动配合面 之间来防止泄漏 它结构简单 制造方便 磨损后有自动补偿能力 性能可靠 在缸筒和活塞之间 缸盖和活塞杆之间 活塞和活塞杆 之间 缸筒和缸盖之间都能使用 对于活塞杆外伸部分来说 由于它很容易把脏物带入液压缸 使油液受污染 使密封件磨损 因此常需在活塞杆密封处增添防尘 圈 并放在向着活塞杆外伸的一端 在此选 O 形圈加挡圈密封 5 液压缸的缓冲装置 缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时封 住活塞和缸盖之间的部分油液 强迫它从小孔或细缝中挤出 以产 生很大的阻力 使工作部件受到制动 逐渐减慢运动速度 达到避 免活塞和缸盖相互撞击的目的 在此选三角槽式节流缓冲装置 见参考文献一图 2 4 活塞 5 的两端开有三角槽 前后缸盖 3 8 上的钢球 7 起单向阀 的作用 当活塞启动时 压力油顶开钢球进入液压缸 推动活塞运 动 当活塞接近缸的端部时 回油路被活塞逐渐封闭 使液压缸油 只能通过活塞上轴向的三角槽缓慢排出 形成缓冲液压阻力 节流 口的通流面积随活塞的移动而逐渐减小 活塞运动速度逐渐减慢 实现制动缓冲 6 液压缸的排气装置 液压缸在安装过程中或长时间停放重新工作时 液压缸里和管 道系统中会渗入空气 为了防止执行元件出现爬行 噪声和发热等 不正常现象 需把缸中和系统中的空气排出 一般可在液压缸的最 高处设置进出油口把气带走 也可在最高处设置如图八 a 所示的放 气孔或专门的放气阀 见图八 b c 图八 放气装置 1 缸盖 2 放气小孔 3 缸体 4 活塞杆 7 液压缸的安装连接结构 1 液压缸的安装形式 见参考文献一图 2 13 选尾部外法兰连接形式 2 液压缸进 出油口形式及大小的确定 见参考书一表 2 14 知进 出油口安装尺寸为 M27 2 3 液压缸用耳环安装结构 见参考文献一表 2 15 采用带轴套的单耳环结构 4 杆用单耳环国际标准安装尺寸 见参考书一表 2 16 具体参数如下 型 号 活 塞 杆 直 径 缸 筒 内 径 公称 力 N KK CK H9 EM H13 ER max CA Js1 3 AW min LE min 6 0 7 0 16 0 32000 0 M4 8 2 56 70 59 126 63 63 结论 毕业设计是对我们大学学习的一次综合性的检测 它是我们走 向社会前的一次实践 设计到此全部完成 历时五个月 通过此次 设计 对液压系统有了较深层次的理解与诠释 本次设计的是刀锉 铣床的液压系统 同时对其液压缸也进行了设计 掌握了一般的设 计理论和方法 能够设计刀锉铣床液压系统 但由于经验不够丰富 其中也存在很多不足之处 恳请老师指正 参考文献 1 液压系统设计简明手册 杨培元 朱福元主编 机械工业出版社 2 液压传动系统 第三版 官忠范主编 机械工业出版社 3 液压传动设计手册 煤炭工业部 煤炭科学研究院上海研究所主编 上海科学技术出版社 4 袖珍液压气动手册 第二版 刘新德主编 机械工业出版社 5 液压传动课程设计指导书 高等工程专科学校机制及液压教学研究会 液压组主编 6 液压传动与气压传动 第二版 何存兴 张铁华主编 华中科技大学出 版社 7 金属钻削机床液压传动 章宏甲主编 江苏科学技术出版社 8 工程机械液压与液力传动 李芳民主编 人民交通出版社 9 新编液压工程手册 雷天觉主编 北京理工大学出版社 10 液压系统设计图集 周士昌主编 机械工业出版社
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